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Brunnenentwicklung

Die Entwicklung des Brunnens ist die wichtigste Maßnahme nach Herstellung des Bohrloches und Einstellen des Ausbaus sowie der Schüttung der Filterkiese oder Glaskugeln. Die Brunnenentwicklung dient der Aktivierung der maximal möglichen und nachhaltigen Förderfähigkeit des Brunnens. 

Bei und nach Einbau der Filterschüttung muss diese erst einmal konsolidiert werden um Hohlräume, Auflockerungsbereich und Kiesnester zu beseitigen, welche sich bei dem Einbauvorgang bilden können. Dieses kann durch Kolben, Bürsten oder Pulsen erfolgen. Nur so kann eine gleichmäßige Filterschüttung im Filterbereich des Brunnens erzeugt werden. Wichtig ist die ausreichende Überschüttung der obersten Filterkante, damit die Setzungen der Filter Schüttung, welche sich bei den Konsolidierungsmaßnahmen ergeben nicht zu einem Freifallen der oberen Filterstrecke führen. Die Folge davon wäre ein Sandführung in diesem Bereich. Die Setzung der Filterschüttung muss kontinuierlich durch Loten überwacht werden und bei zu großen Setzungen durch Nachschütten von Filterkies oder Glaskugeln ausgeglichen werden. Erst nach der Konsolidierung sollte der Sperrsandfilter eingebaut werden um die Filterschüttung nach oben abzudichten.

Um die größt mögliche Ergiebigkeit des Brunnenbauwerks zu erreichen müssen die durch den Bohrvorgang entstandene Veränderungen am Gefüge des wasserführenden Lockergesteins und/oder Veränderungen durch Ablagerung von Feinanteilen an der Bohrlochwand (Filterkuchen) rückgängig gemacht werden. Bohrspülungsreste wie z.B. Betonit, CMC-Spülungszusätze oder andere abdichtenden Zusätze müssen unbedingt aus der Bohraureole und der Ringraumfüllung des Brunnens entfernt werden um die wirkungsrelevanten Porenräume zu reinigen und um die Ansiedlung von Bakterien zu verhindern.

Zusätzlich muss die Durchlässigkeit des Brunnenumfelds erhöht werden.

Ganz wichtig sind dabei die Entwicklung eines stabilen Korngerüstes im Lockergestein des Brunnenumfeldes und das Korngefüge der Filterkiesschüttung. In Festgesteinsbrunnen müssen die lösbaren Ablagerungen aus den Klüften entfernt werden.

Um diese Ziele zu erreichen werden häufig mehrere Verfahren kombiniert und ggf. in verschiedenen Variationen wiederholt.

Der Abbau des Filterkuchens erfolgt zunächst durch Zugabe von z.B. Wasserstoffperoxid zur Beseitigung von Zellulose Spülungszusätzen (CMC) oder anderen Chemikalien, anschließend durch den Einsatz eines oder mehrerer mechanischer Verfahren.

Dazu können verschiedene Verfahren verwendet werden:

  1. Kolben mit bewegtem Ventilkolben
  2. Intensiventnahme mit statischem oder bewegtem Entnahmeseiher (Mammutpumpe)
  3. Intensiventnahme mit statischer bewegter Scheibenmanschettenpumpe
  4. Intensiventnahme mit statischer oder bewegter Hochleistungsentsandungskammer
  5. Intensiventsandung durch Hochdruckinnenspülung mit induziertem Druckwellenimpuls
  6. Intensiventsandung durch Kombination von Hochdruckinnenspülung mit induziertem Druckwellenimpuls und Entnahmekammer

Wichtig ist, dass bei Verwendung von Intensiventnahmeverfahren die gewählte Förderrate die Grenzgeschwindigkeit des Wassers im zu bearbeiteten Filterbereich überschreitet um alle mobilisierbaren Partikel aus der Filterschüttung und der Bohraureole sowie dem Nahbereich des Gebirges herauszuarbeiten.

Diese Maßnahme muss abschnittsweise erfolgen und sollte einer kontinuierlichen Austragskontrolle unterliegen um den Entwicklungsfortschritt des bearbeiteten Bereiches zu überwachen und bei Erreichen des Abbruchkriteriums zu beenden.

Intensiventnahmeverfahren können sowohl statisch wie bewegt durchgeführt werden.

Die Bewegung der Entnahmekammer unterstützt den Entwicklungsprozess durch induzierte Druckschwankungen, auch Druckimpulse genannt. Die Bewegung des Entnahmesystems sollte bei etwa 1 m/min liegen kann aber auch erhöht werden bis etwa 4 m/min um den Bewegungsimpuls zu verstärken. Durch die Umleitung von Strömungsrichtungen können sich bildende Materialbrücken aufgehoben werden und so der nutzbare Porenraum freigearbeitet werden.

Druckimpulse können auch und oder durch intermittierendes Pumpen, das sogenannte Schocken, also Ausschalten und Einschalten der Förderpumpe erzeugt werden. Dabei ist der Effekt des Anreißens, also des plötzlichen schnellen Förderns von Wasser im Entnahmebereich der Wirkmechanismus welcher die Grenzgeschwindigkeitsüberschreitung kurzfristig erzeugt.

Druckwellenimpulse können ergänzend auch durch Druckwellenerzeuger generiert werden. Dies können Fluidpulser wie z.B. Knallgasgeneratoren, Airguns, Waterguns oder Plasmaschockgeneratoren sein.

Grundsätzlich gilt, dass die Erzeugung von Druckimpulsen zu Verdichtungen der Filterschüttung führen kann.

Bei Verwendung von Druckwellenerzeugern ist zu beachten mit welchen Impulsstärken gearbeitet wird und wie die Filterschüttung dimensioniert ist.

Bei der Intensiventsandung durch Hochdruckinnenspülung mit induziertem Druckwellenimpuls ist zu beachten, dass dazu hohe Spüldrucke ab etwa 300 bar erforderlich sind. Hohe Spüldrucke führen aber zu Durchmischung von Filterschüttungen, welches bei Mehrfachschüttungen zu einer Zerstörung des Schüttungsaufbaus führen kann. Zusätzlich kann es zu einer Zerstörung der Filterschüttung durch Zerreibung der Filterkörner kommen. In der Fachliteratur werden Zerstörungseffekte ab 200 bar Spüldruck erwähnt.

Die bisher verwendeten klassischen Verfahren zur Entsandung und Entwicklung eines Brunnenbauwerkes sind wie folgt:

  1. Das älteste Verfahren zur Entwicklung ist der klassische Kolben der Filterstrecke mit Manschetteventilkolben. Dabei wird die Filterstrecke mit einer Manschettenscheibe und Klappenventilen im Filterbereich auf und ab bewegt um durch die induzierten Druckschwankungen mobilisierbare Partikel aus der Filterschüttung in den Brunnen zu saugen.
  2. Einblasen von Druckluft, dabei erfolgt neben einer Aufwirbelung der Feinanteile bei Auslegung als Mammutpumpe eine schwallweise Förderung, die aufgrund der damit verbundenen Druckschwankungen auf die Bohrlochwand zur mechanischen Zerstörung und anschließendem Austrag des Filterkuchens führt.
  3. Klarpumpen mittels einer gegen verstärkte Sandführung gepanzerten Unterwasserpumpe. Dabei wird die Fördermenge bei gleichzeitig zunehmender Durchlässigkeit zumindest bis zum 1,5-fachen der späteren Dauerleistung und bis zum Erreichen völliger Sandfreiheit des geförderten Wassers gesteigert.
  4. Schocken durch Wechselpumpen und rasches und kurzzeitiges Anpumpen und Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen, gefolgt von einer Pumpenabschaltung und dem Wiederanstieg (ggf. noch unterstützt durch den Rückfluss aus der Steigleitung), werden wiederholt, die Strömungsverhältnisse im Brunnen und Brunnenumfeld umgekehrt.
  5. Entsandungskolben mit einem gegen das Brunnenvollrohr und den Brunnenfilter abdichtenden Kolben der über das Bohrgestänge im Vollrohr oder Filter in raschem Wechsel gehoben und abgesenkt wird. Die dabei entstehenden Drücke, Strömungswechsel und Strömungsgeschwindigkeiten ermöglichen neben dem Freispülen der Filteröffnungen eine Reklassifizierung des Korngerüsts im Kiesmantel sowie die Mobilisierung der Feinanteile im Brunnenumfeld.
  6. Im Filterbereich werden häufig auch Strahldüsen (Jetten oder Hochdruckspülung) eingesetzt, über die klares Wasser unter hohem Druck an der Filterinnenwand in drehender Auf- und Ab Bewegung eingepumpt wird, um dadurch insbesondere die Filteröffnungen frei zu spülen und evtl. vorhandene Kiesbrücken zu zerstören.
  7. Intensiventsandung durch abschnittsweises Entsandungspumpen, ggf. unterstützt mit Druckwellen Impulseintrag durch bewegte Kammer, Schockpumpen oder Pulsgenerator. Hierbei werden progressiv von unten nach oben entweder über Einfachpacker oder Doppelpacker oder Mehrfachpaker bzw. einen Entsandungsseiher abgesperrte Bereiche jeweils bis zur Höchstfördermenge abgepumpt. Die zusätzlich eingetragenen Druckimpulse durch bewegte Arbeitsweise oder Druckstöße durch Schocken oder Impulsgeneratoren ermöglichen die Auflösung von Verstopfungen beim Pumpprozess. Die Erfolgskontrolle erfolgt durch kontinuierliche Austragskontrolle aus dem Voll- oder Teilstrom und durch die Ermittlung der spezifischen Ergiebigkeit. Die Brunnenentwicklung ist dann abgeschlossen, wenn im Anschluss an eine der beschriebenen Methoden keine Änderung der spezifischen Ergiebigkeit mehr erfolgt und die für den späteren Betrieb geforderte Sandfreiheit ( < 1 g Sand pro m3 Wasser) gewährleistet ist.
  8. Hochleistungsentsandung durch abschnittsweises Entsandungspumpen mit bewegter Doppelkolben oder Dreikolben Entnahmekammer mit integrierter Rohrmantelpumpe. ggf. unterstützt mit Druckwellen Impulseintrag durch bewegte Kammer, Druckewellenimpulse werden durch die bewegte Arbeitsweise sowie durch ergänzendes intermittierendes Pumpen (Schockpumpen) erzeugt. Druckstöße können ergänzend durch Pulsgenerator erzeugt werden. Hierbei werden progressiv von unten nach oben entweder über oder Doppelpacker oder Dreikolbenpacker abgesperrte Bereiche jeweils bis zur Höchstfördermenge abgepumpt. Die zusätzlich eingetragenen Druckimpulse durch bewegte Arbeitsweise oder Druckstöße durch Schocken oder Impulsgeneratoren ermöglichen die Auflösung von Verstopfungen beim Pumpprozess. Über die Geometrie der Hochleistungsentnahmekammer kann der hydraulische Effekt der Entnahmekammer beeinflusst werden. Die Anordnung als symmetrische Doppelkolbenkammer fördert bim Pumpbetrieb etwa 80 % durch die Filterschüttung des Brunnens, bis zu 20 % des geförderten Wassers strömen dabei aus dem Aquifer zu ermöglichen so Reinigung der Bohraureole. Die Doppelkolben Spaltkammer fördert das Wasser zu etwa 95 % durch die Filterschüttung des Brunnens. Die Dreikolbenkammer welche bewegt gefahren wird, erzeugt mit zwei Entnahmebereichen und separaten Förderströmen für eine kontinuierliche Änderung der Strömungsrichtung und erzeugt so auf sehr schonende Weise für eine optimale Filterreinigung.
    Die Erfolgskontrolle erfolgt durch kontinuierliche Austragskontrolle aus dem Voll- oder Teilstrom und durch die Ermittlung der spezifischen Ergiebigkeit. Die Brunnenentwicklung ist dann abgeschlossen, wenn im Anschluss an eine der beschriebenen Methoden keine Änderung der spezifischen Ergiebigkeit mehr erfolgt und die für den späteren Betrieb geforderte Sandfreiheit ( < 0,1 g Sand pro m3 Wasser) gewährleistet ist.

Eine Weiterentwicklung der klassischen Intensiventsandung und der neuste Stand der Technik ist die Hochleistungsentsandung.

Die Verwendung einer symmetrischen Doppelkolben Kammer SDKK®, der Doppelkolben Spaltkammer DKSK®  sowie der zur Zeit letzten Entwicklungsstufe der Hochleistungsentsandung der Dreikolben Kammer TriKK®,  statt des klassischen Entsandungsseihers, bei gleichzeitigem Eintrag von Druckwellen durch bewegte Arbeitsweise und Schockpumpen, macht es möglich, eine leistungsgesteigerte Intensiventsandung mit extremen Feststoffaustragsraten durchführen zu können. Das gilt sowohl für Vertikal- wie auch für Horizontalfilterbrunnen.

Die Hochleistungsentsandungskammer ist ein Werkzeug zur Intensiventnahme für den Einsatz in Filterrohren von vertikalen und horizontalen Brunnen. Deren Aufgabe ist die Porenreinigung des Filterkorns im Ringraum zwischen Filterrohr, dem natürlichen Gebirge, sowie der angrenzenden Bohraureole.

Die Abmessungen der Hochleistungsentsandungskammer werden dem zu bearbeitenden Brunnenausbau angepasst. Die Verbindung der spezifisch berechneten Kammerförderrate und dem Anwendungsverfahren gewährleistet, dass an allen zu reinigenden Orten in der äußeren Umgebung des Brunnenfilterrohres ausreichend hohe Transportgeschwindigkeiten (Schleppkräfte) des Grundwassers für eine optimale Porenreinigung erzeugt werden.

Der Aufbau des Systems kann variieren, je nach Anforderungsprofil besteht die Funktionsstrecke aus Hochleistungsentsandungskammer, und gemantelter Pumpe oder einer Kombination aus Hochleistungsentsandungskammer mit integrierter Pumpe und ggf. einem Druckwellen Generator.

Vor Durchführung einer Hochleistungsentsandung werden nach der klassischen Zustandsanalyse des Brunnenbauwerkes wie TV-Inspektion, Geophysik und Pumpversuch, die geologischen, hydrologischen und hydraulischen Verhältnisse untersucht und bewertet. Anhand numerischer Simulationen der Strömungsverhältnisse an der Doppelkolbenkammer im Wirkungsbereich Filterrohrwand, Filterschüttung, Bohraureole und Gebirge können die Konfiguration der Entnahmekammer sowie der Kammerförderraten ermittelt werden. Die daraus abgeleitete Ausführungsplanung wird durch Berechnungen mittels der spezifischen Brunnendaten unterstützt.

Eine Entwicklung oder Regenerierung des Brunnens wird dadurch planbar.

Die Hochleistungsentsandungskammer ist für die abschnittsweise Förderung in einem Brunnenfilter geeignet. Diese Technologie bringt, im Vergleich mit anderen Techniken der Entnahme, nachgewiesener maßen bedeutend höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Grundwassers im zu entsandenden bzw. zu reinigenden Abschnitt.

Die Wirkungsweise der Hochleistungsentsandungskammer beruht auf der optimalen Ausnutzung der sich in der Umgebung einer Entnahmekammer einstellenden Brunnenanströmung. Dabei wird die größte Strömungsgeschwindigkeit bzw. Porenreinigung im Filterkorn gegenüber den Begrenzungskolben erzeugt. Die intensivste Reinigung der Bohraureole bis in den angrenzenden Grundwasserleiter wird allerdings gegenüber der zentralen Kammeröffnung erzielt.

Im DVGW Merkblatt W 130 „Brunnenregenerierung“ wird auf die entscheidende Bedeutung der gleichzeitigen Trennung des Verbundes zwischen Ablagerungen und Filterkorn und Austrag der abgelösten Partikel hingewiesen. Präzisierend ist hierzu festzustellen, dass die zur Trennung empfohlenen Verfahren des Eintrags von Erschütterungen bzw. Impulsen in das Filterkorngefüge außerdem einen wesentlichen Beitrag zur Bewerkstelligung eines optimalen Austrages leisten, indem sie die hydraulisch wirksamen Porenkanaldurchmesser vergrößern.

Die fiktive Aufweitung der Porenkanäle in Form der Vergrößerung des hydraulisch wirksamen Porenkanaldurchmessers und damit der Austragsmöglichkeit von Partikeln wird durch Vergrößerung des Durchgangsfaktors erzielt. Praktisch werden die den Partikelstrom durch die Porenkanäle behindernden Kräfte durch Eintrag von Erschütterungen bzw. Impulsen kurzzeitig reduziert.

Somit ist es möglich, alle lös- und austragbaren Feststoffe wie Schluff- und Feinsandkorn sowie Ocker- und Manganpartikel, mit ausreichender Strömungsgeschwindigkeit, also Schleppkraft, durch die nutzbaren Porenkanäle durch den Brunnenfilter in den Brunnen zu transportieren und abzufördern. Der gleichzeitige radiale kontinuierliche Impulseintrag bewegte Kammer und Schockpumpen sorgt für die permanente Lockerung des Korngefüges und bricht die sich ständig bildenden Materialbrücken (Verstopfungen) auf. Dies ermöglicht die andauernde Mobilisierung des anstehenden transportfähigen Materials. Die beeindruckende Wirkung der Verfahren von hoch beschleunigt gefördertem Wasser durch die Hochleistungsentsandungskammer und kontinuierlicher Druckwellen in simultanem Einsatz, beruht auf den vergleichbaren räumlichen Reichweiten beider Verfahren, die sich im Zusammenspiel effizient  ergänzen.

Im anstehenden Gebirge des zu entsandenden Brunnen werden ebenfalls feststellbare Wirkungen erzielt. Die Vergrößerung der Filtergeschwindigkeit im hochleistungsentsandeten Brunnen ist nicht nur in der Filterschüttung sondern auch im Übergangsbereich Gebirge / Filterschüttung erreichbar. Mit den bisher verwendeten Manschettenkammern (Seihern) sind vergleichbare Einwirkungen und Sandaustragsmengen nicht zu erzielen.

Allerdings ist bei der Verwendung von Druckstoßwellen mittels Druckwellengeneratoren zu beachten, dass die Filterschüttung verdichtet werden kann. Vor allem bei Brunnen mit nicht ausreichend konsolidierter Filterschüttung kann es zu Setzungen kommen. Hier ist eine geophysikalische Voruntersuchung des Kiesfilters und der Tonsperre erforderlich.

Die kontinuierliche Lösung und Mobilisierung des Unterkorns bei gleichzeitigem, intensivem Abfördern, erfüllt die Anforderung an Brunnenregenerierungen gemäß DVGW W130 „parallele Aufhebung des Verbundes bei gleichzeitiger Entfernung der gelösten Ablagerungen“ und ist somit Garant für eine qualitativ hochwertige Entsandung und Entwicklung des Brunnenbauwerkes. Nur so lässt sich die volle Leistungsfähigkeit herstellen.

Die Erfolgskontrolle erfolgt durch kontinuierliche Austragskontrolle aus dem Voll- oder Teilstrom und durch die Ermittlung der spezifischen Ergiebigkeit. Die Brunnenentwicklung ist dann abgeschlossen, wenn im Anschluss an eine der beschriebenen Methoden keine Änderung der spezifischen Ergiebigkeit mehr erfolgt und die für den späteren Betrieb geforderte Sandfreiheit ( < 1 g Sand pro m3 Wasser) gewährleistet ist.

Als Filterkornmaterial können Kies, Sand oder Glaskugeln im Brunnen eingebaut sein. Die für jeden Filtertyp und Durchmesser angepassten und speziell konfektionierten Dichtungselemente der Doppelkolbenkammer, garantieren die Vermeidung von Strömungsverlusten zwischen Kammerkolben und Filterrohr.

Zum Abschluss wird der während der Entwicklung im tiefsten Abschnitt des Brunnens abgelagerte Schlamm und Sand entfernt.

Wir verwenden alle genannten Entwicklungsverfahren an.